FIO SUPORTADO

A carga de superfície do fio normalmente usada e, em muitos casos, a carga de superfície do elemento, está listada na tabela Tipos de elementos do aparelho. A carga da superfície do elemento é definida como a classificação dividida pela parte da superfície do elemento que está próxima do fio energizado e, portanto, tem uma temperatura elevada.

Normalmente, essas tabelas fornecem uma gama de cargas de superfície, e não um único valor. A escolha dentro desta faixa depende dos requisitos do elemento, bem como da voltagem, classificação e dimensões disponíveis. Uma alta tensão e uma baixa potência nominal resultarão em um fio fino que, na mesma temperatura, tem uma vida útil mais curta do que um fio grosso e, portanto, exigirá uma carga superficial de fio menor.

TEMPERATURA DO FIO

Para tipos de elementos incorporados e suportados, a temperatura do fio depende da carga da superfície do fio e do elemento. Para tipos de elementos suspensos, a carga de superfície do elemento, na maioria dos casos, não pode ser definida. Além da carga superficial, fatores como temperatura ambiente, condições de dissipação de calor e a presença e localização de outros elementos influenciarão a temperatura do fio, o que por sua vez afeta a escolha das cargas superficiais do fio e do elemento.

CARGA SUPERFICIAL

Ao calcular um elemento, a voltagem e a classificação normalmente são conhecidas. A carga superficial do fio é então escolhida de acordo com os números listados na tabela. A superfície do fio é encontrada como a razão entre a potência nominal e a carga superficial do fio.

SUPERFÍCIE E RESISTÊNCIA

Após calcular a resistência no estado frio, determina-se a relação entre a superfície e a resistência. Esta proporção está listada para todos os tipos e dimensões de fios neste manual, permitindo fácil identificação do tamanho correto do fio nas tabelas.

DIÂMETRO DA ESPIRAL E DO FIO

A proporção entre o diâmetro da espiral e do fio (O/d) deve ser calculada para garantir que a espiral possa ser facilmente fabricada. O ideal é que essa proporção esteja entre 5 e 12. Para elementos suportados, essa proporção deve ser comparada com a curva de deformação no gráfico. Quando o comprimento e o diâmetro da espiral são conhecidos, o afastamento da espiral pode ser estimado usando a Fórmula (10) no Apêndice. Normalmente é 2 a 4 vezes o diâmetro do fio. Para aquecedores de tubo de quartzo, normalmente é usado um passo menor. Espirais pré-oxidadas feitas de Kanthal® FeCrAl nesses elementos podem ser usadas com uma espiral leve.

Para um fio reto em uma barra de fogo rosqueada e muitos elementos do tipo suspenso, o comprimento do fio é fixo. A resistência por metro pode ser calculada e o tamanho do fio determinado a partir das tabelas deste manual. Se isso resultar em uma alta carga de superfície com fita, uma fita mais larga e fina da mesma seção transversal pode ser escolhida.

ELEMENTO TUBULAR REVESTIDO DE METAL

O cálculo de um elemento tubular com revestimento metálico é mais complexo porque a resistência é reduzida de 10 a 30% devido à compressão do elemento. Para tais elementos, a carga da superfície do tubo é primeiramente determinada com base no uso pretendido. A carga superficial do fio é normalmente 2 a 4 vezes maior. Após calcular a resistência a partir da classificação e da voltagem, ela deve ser aumentada em 10 a 30% para chegar à resistência após o enrolamento. A superfície do fio ficará de 2 a 7% menor quando o elemento for reduzido. Embora o comprimento do tubo seja aumentado pela compressão por laminação, a superfície do tubo geralmente permanece inalterada.

Cálculos de aparelhos: exemplos

Cálculos de forno

Os projetistas de equipamentos que utilizam materiais de aquecimento por resistência elétrica devem determinar qual material e forma atenderão aos requisitos específicos de aquecimento. A abordagem geral é começar com a temperatura operacional e a potência necessárias, a voltagem disponível e o espaço para os elementos de aquecimento. Um material e tipo de elemento adequados são então selecionados, seguidos de cálculos para os parâmetros do elemento. Consulte Propriedades físicas e mecânicas (ligas Kanthal® e ligas Nikrothal®) e Fatores de projeto (Fatores gerais e Fatores específicos do forno)

Esta seção descreve os cálculos relevantes do projeto para elementos de fio espiral e elementos de fio e fita ondulados. Veja o Apêndice para símbolos detalhados, definições e fórmulas.

Carga superficial do elemento

O aumento da carga superficial resulta em uma temperatura mais alta do elemento em comparação ao seu entorno. Assim, a temperatura máxima permitida do elemento impõe um limite à carga superficial. A carga superficial máxima permitida diminui com o aumento da temperatura do forno e depende de fatores como temperatura máxima do elemento, deformação do elemento e limites de corrente.

A carga superficial afeta o projeto de resistências de duas maneiras opostas. Se a carga de superfície for reduzida, um elemento maior e mais caro será necessário; no entanto, esse elemento apresenta um consumo de material mais lento, resultando em uma vida útil mais longa. O objetivo é selecionar uma carga de superfície que forneça um equilíbrio ideal entre vida útil e custo do elemento.

A carga superficial de um elemento de aquecimento, p, é igual à sua potência, P, dividida pela sua área de superfície, A:
\(p = P/A \)

No sistema métrico, a carga superficial é geralmente expressa em W/cm², e no sistema imperial, em W/in². A temperatura do elemento é o principal fator na vida útil de um elemento e é determinada pela temperatura ambiente e pela carga superficial. Como as ligas Kanthal® podem ser operadas em temperaturas mais altas do que as ligas Nikrothal®, elas podem atingir maior carga superficial com uma vida útil equivalente ou mais longa do que a Nikrothal®.

Existem três critérios para determinar a carga máxima de superfície:

• Temperatura do elemento
• Estabilidade estrutural (especialmente para ligas Kanthal®)
• Corrente

Quanto mais livremente irradiar a forma do elemento, maior será a carga superficial máxima. Portanto, o elemento do tipo ROB (Rod Over Bend) pode suportar a carga mais alta, seguido pelo elemento de fita ondulada. O tipo espiral, por ser mais oculto, tem uma carga superficial máxima menor. Espirais em tubos podem suportar uma carga maior do que espirais em ranhuras.

Os gráficos abaixo mostram as cargas superficiais recomendadas para ligas Kanthal® e Nikrothal® em fornos industriais. Como as ligas Kanthal® podem ser operadas em temperaturas mais altas do que as ligas Nikrothal®, uma carga superficial mais alta pode ser aceita sem comprometer a vida útil do elemento. O projeto de resistências também é crucial. Quanto mais livremente irradiar a forma do elemento, maior será a carga superficial máxima. Portanto, o elemento do tipo ROB (fio ondulado pesado, montado na superfície) pode suportar a maior carga, seguido pelo elemento de fita ondulada.

As resistências em espiral em tubos de cerâmica podem suportar uma carga maior do que os elementos da espiral em ranhuras. Os valores nos diagramas da página 51 são fornecidos para as seguintes condições de projeto:

Tipos de elementos A (fio pesado) e B (fita):

• Espessura mínima da fita: 2,5 milímetros
• Diâmetro mínimo do fio: 5 mm
• Passo mínimo: 50 mm no comprimento máximo do laço e carga superficial máxima

Comprimento máximo recomendado do loop:

• < 900°C: 300 mm
• 1.000°C: 250 mm
• 1.100°C: 200 mm
• 1.200°C: 150 mm
• 1.300°C: 100 mm

Para diâmetros de fio mais finos e espessuras de fitas menores, cargas superficiais mais baixas e comprimentos de loop mais curtos devem ser escolhidos para evitar a deformação do elemento e subsequente
Menor vida útil do elemento.

Tipo de elemento C:

• Elemento de fio em tubo de cerâmica
• Diâmetro mínimo do fio: 3 mm

Tipo de elemento D:

• Elemento de fio e fita em ranhuras
• Diâmetro mínimo do fio: 3 milímetros
• Espessura mínima da fita: 2 milímetros

Cargas superficiais máximas recomendadas para ligas Nikrothal® em fornos industriais

Cargas superficiais máximas recomendadas para ligas Kanthal® A-1, Kanthal® AF e Kanthal® APM em fornos industriais

Observação: Os diagramas são válidos para controle de tiristores. Para controle on-off, cargas superficiais mais baixas devem ser escolhidas (cerca de - 20%).

Projeto de elementos de fios

Cálculos do fio: exemplos